增壓直噴汽油機低速早燃問題研究

李智博，蔡自杰

(鄭州信息科技職業學院機電工程學院，河南鄭州 450000)

0 引言

發動機增壓小型化是許多汽車廠商為提高發動機效率和實現二氧化碳排放標準而采用的有效途徑。對于汽油發動機來說，減小排量并采用增壓技術，比功率增加，可以顯著減少法規駕駛循環中常用工況的摩擦損失和泵氣損失。這些小型化發動機傾向于在相對較低的轉速下就能獲得最大扭矩，但需要在高負荷工況下采用推遲燃燒以避免爆震，由此產生的低有效膨脹比導致殘余廢氣溫度比非高排放等級發動機更高。此外缸內直噴的燃油供給方式會導致汽缸濕壁增加，同時為實現發動機低摩擦損失，需采用低切向彈力活塞環設計，這使進入燃燒室的潤滑油增加,改變缸內著火特性。所有這些技術發展的結合可能會導致發動機出現破壞性異常燃燒，如低速早燃，該名稱源自美國西南研究院所發現的“Low Speed Pre-ignition”問題[1]。早燃可能引發超級爆震，與常規爆震燃燒不同的是，超級爆震并不會因推遲點火而消除，也不能通過混合氣加濃、加強壁面傳熱或采用高標號汽油來避免，而且超級爆震具有偶發性和間歇性，影響因素眾多。目前早燃問題已成為汽油機繼續提高功率密度和降低油耗的一大障礙[1]。

1 LSPI的誘發機制

LSPI的特征在于由火花塞以外的點火源，例如高化學活性或已自燃的油滴以及熾熱的顆粒沉積物引發的過早放熱[2]。這可能導致部分或全部混合氣的快速燃燒，導致發動機最大缸內壓力比在正常循環中要大2或3倍。盡管這是一個在非常限定的工況條件下才會發生的隨機現象，并且可能發生頻次很低，但多次甚至單次LSPI會引起大量缸內混合氣自燃，從而導致發動機關鍵零部件發生嚴重損壞。

小型增壓直噴發動機在相對較低的轉速下就能達到最大轉矩，并且在這個非常特定的區域最有可能發生LSPI，在這個區域對應的工況下缸內峰值壓力接近最大值，燃燒相位處于最大推遲狀態，殘余廢氣的溫度增加，使得在隨后的循環中更容易達到混合氣的自燃溫度。此外，在發動機正常火花點火之前，低發動機轉速為LSPI提供了更充足的準備時間[3]。

已有大量研究表明：機油液滴和顆粒物能夠成為熱點并誘發早燃，進而引起超級爆震。機油通常由基礎油以及清凈劑、分散劑、抗氧抗腐劑、防銹劑、乳化劑等眾多添加劑組成，機油液滴竄入燃燒室后，由于含有滯燃期較短的長鏈成分，有可能成為混合氣中的熱點，并可能在正常火花點火前先發生自燃，引燃周圍混合氣從而誘發早燃，并最終可能導致超級爆震[1]。但機油液滴并不是誘發早燃的唯一原因，燃燒室內的殘余顆粒物也與早燃發生存在緊密聯系，顆粒物生成與燃油品質、燃燒室結構設計和運行工況有關，作為不完全燃燒的產物，顆粒物既有可能殘留在燃燒室中并在下一循環首先發生表面氧化反應并引燃周圍混合氣從而誘發早燃，也可能作為熾熱點直接點燃混合氣[1]。

2 LSPI臺架試驗測試循環

可以通過測量和分析缸內壓力來檢測并記錄LSPI的發生。已有文獻指出，測試開始時燃燒室的狀況(例如當前沉積物的種類和數量)會顯著影響測試結果[4]。因此為確保試驗結果可靠性，文獻[3]中所采用的測試循環以清掃燃燒室的準備階段開始，確保在每次LSPI測試過程之前燃燒室處于相同狀態。通過發動機在適當高轉速半負荷稀燃工況下來實現初始測試階段的燃燒室沉積物的清掃，從而在燃燒室清潔狀態下評估發動機的性能。在初始測試階段之后，發動機進入以最大扭矩和能獲得最大扭矩的最小轉速為運行工況的LSPI測試階段。在一組LSPI測試階段之后，發動機進入旨在增加燃燒室沉積物的階段，從而評估由長時間怠速工況運行導致的“臟”燃燒室狀況下的LSPI特性。

3 LSPI的試驗判斷方法

可以通過在線處理缸壓信號來識別并記錄LSPI的發生，如果某一循環燃燒始點明顯早于正常循環或者早于火花點火時刻，則此循環定義為早燃循環[3]。這兩個邏輯條件可由以下公式定義：

θMFB2i<θign

其中：θMFB2i為第i循環2%累計放熱量時對應的曲軸轉角位置；σ為前100循環θMFB2i的標準差；θign為火花點火時刻。

在早燃循環中，燃燒始點明顯早于期望值。然而，從發動機耐久性的角度來看，監測具有特別高缸壓峰值的早燃循環也是具有重要意義的。當由早燃釋放的熱量足以同時引燃大部分缸內充量時就會出現超級爆震[3]，可使用以下公式來判斷這種特殊的早燃事件：

其中：pmaxi為第i循環的缸壓峰值；σ為前100循環pmaxi的標準差。

LSPI不一定引發超級爆震，但超級爆震的前提一定是LSPI的發生。LSPI可以引發超級爆震，也可以導致強烈爆震、輕微爆震和不爆震[1]。區分這兩種早燃類型也是重要的，因為可以及時發現伴隨著過高缸壓且具有潛在破壞性的的早燃循環，并采取相應措施以減少對發動機的損害。具有非常高的峰值壓力但不滿足早燃循環燃燒相位判斷準則的循環被認為是爆震燃燒。

4 機油添加劑對LSPI的影響

所有現代乘用車潤滑油都需要添加高堿性清凈劑，以保護發動機免受沉積物和酸性物質積聚的影響。乘用車通常使用鈣基清凈劑，某些情況下也會使用鎂基清凈劑。已有許多研究調查了清凈劑對LSPI的影響[3-6]。鈣基和鎂基清凈劑等這些堿土金屬添加劑典型地以碳酸鹽和氫氧化物顆粒存在，在親脂性皂分子溶液中穩定，并形成膠束。清凈劑通常具有處于頭部位置的由附著于顆粒的磺酸鹽、酚鹽或水楊酸鹽官能團組成的極性基團，以及可以在溶液中穩定膠束的處于尾部的親油烴基基團。文獻[3]中研究發現鈣基清凈劑對LSPI頻次的增加有明顯促進作用，但即使使用高濃度的鎂基清凈劑LSPI也不會出現。二烷基二硫代氨基甲酸鉬(MoDTC)可用于某些潤滑油添加劑組分以減少摩擦，文獻[3,6]中研究了MoDTC濃度對LSPI的影響，發現增加MoDTC的濃度對LSPI發生具有抑制作用。

5 燃油品質對LSPI的影響

燃油辛烷值和爆震燃燒之間關系是明確的，且辛烷值在一定程度上對早燃有所影響，但不能完整地描述對早燃或超級爆震傾向的影響[1]。文獻[3]中研究發現LSPI傾向和燃油辛烷值之間沒有表現出直接相關性，但隨著辛烷值的提高，超級爆震次數減少。

燃油在影響由離開活塞頂環岸區域或缸壁的潤滑油液滴自燃引起的早燃現象中可能扮演著兩種獨立的角色。第一是燃油起稀釋潤滑油作用，并幫助潤滑油從缸壁或活塞頂環岸區域分離，此種情況下稀釋潤滑油的燃油數量是重要的，且稀釋量的大小受燃油揮發性影響強烈。低揮發性燃油在混合氣形成過程蒸發量相對較小，所以較高比例的燃油將與缸壁接觸并與潤滑油混合。由于潤滑油的自燃溫度和辛烷值遠低于燃油，所以潤滑油的自燃特性在此時占主導地位，而燃油的辛烷值并不那么重要。第二是燃油辛烷值對稀釋的潤滑油液滴自燃特性的影響。一旦潤滑油液滴著火，會釋放足夠的熱量以引燃大量混合氣同時快速燃燒，這種情況發生的可能性將取決于燃油抵抗自燃的能力，因此燃油辛烷值在此過程中占主導地位。

6 結語

隨著排放和油耗法規的愈加嚴苛以及混合動力市場的發展，發動機增壓直噴小型化是大勢所趨，但這引起的缸內壓力和溫度的增加以及汽油直噴引起的濕壁稀釋潤滑油問題和顆粒物增加的問題最終會導致早燃的發生，并亦可引起對發動機損傷巨大的超級爆震。研究者可以通過發動機臺架試驗在線處理缸壓信號來識別并記錄LSPI和超級爆震的發生。小型增壓直噴發動機在相對較低的轉速下就能達到最大轉矩，并且在這個特定的工況下最有可能發生LSPI。機油液滴和顆粒物能夠成為熱點并誘發LSPI，機油添加劑對LSPI發生的頻次有一定的影響，燃油辛烷值的提高能減少超級爆震次數。直噴增壓汽油機早燃問題的解決不僅要求在發動機結構設計和電控策略上深入研究，同時還需要潤滑油公司繼續研究更加優良的添加劑以減少對抑制早燃的不利影響。